CHƯƠNG 6. TỐI ƯU HOÁ CÔNG NGHỆ HÀN
6.1. CÁC YÊU CẤU ðỐI VỚI QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG KẾT CẤU HÀN
Cú rất nhiều cỏc yờu cầu ủối với quy trỡnh cụng nghệ chế tạo kết cấu hàn. Trong số ủú ủặc biệt phải kể ủến cỏc yờu cầu sau: chi phớ lao ủộng thấp nhất, thời gian chế tạo ngắn nhất, cơ khớ hoỏ và tự ủộng hoỏ tối ủa quỏ trỡnh sản xuất và ủộ chớnh xỏc cao nhất của kết cấu ủược chế tạo. Cỏc yờu cầu này ủều cú mối liờn quan với nhau, vớ dụ như: nếu khụng cú cơ khớ hoỏ quỏ trỡnh sản xuất, khụng ỏp dụng phương phỏp hàn tự ủộng thỡ khụng thể nõng cao năng suất lao ủộng và ủảm bảo chi phớ lao ủộng thấp. Khụng cắt giảm khối lượng trong quá trình công nghệ chế tạo kết cấu hàn, không loại bỏ các quá trình phụ như nắn, làm mép, ...v.v thì không thể giảm thời gian chế tạo, không nâng cao ủộ chớnh xỏc khi chuẩn bị phụi, cỏc mộp hàn và dụng cụ cố ủịnh thỡ khụng những khụng thể ủạt tới ủộ chớnh xỏc cần thiết của kết cấu sau khi hàn mà cũn khụng thể thoả món ủược một trong cỏc yờu cầu kể trờn ủối với quy trỡnh cụng nghệ. Những sai sút của chớnh những chi tiết hàn và các thiết bị phụ trợ sẽ gây khó khăn cho việc áp dụng các phương phỏp cơ khớ hoỏ và tự ủộng hoỏ trong lắp rỏp, căn chỉnh và hàn, ủồng thời ủũi hỏi phải thực hiện cỏc thao tỏc bổ sung như sửa chữa mộp hàn, ủiều chỉnh cỏc dụng cụ hỗ trợ cũng như toàn bộ kết cấu. ðiều ủú dẫn ủến những chi phớ lao ủộng khụng cần thiết và kộo dài thời gian chế tạo kết cấu.
Như vậy, ủộ chớnh xỏc trong tất cả cỏc giai ủoạn chế tạo kết cấu hàn, bắt ủầu từ chuẩn bị chi tiết hàn cho ủến cụng ủoạn rỏp và hàn toàn bộ kết cấu, là một yờu cầu chung hết sức quan trọng. Mọi ủặc tớnh kỹ thuật và kinh tế của chất lượng quy trỡnh cụng nghệ chế tạo kết cấu hàn ủều phụ thuộc vào ủộ chớnh xỏc núi trờn.
Việc ủạt ủến ủộ chớnh xỏc cần thiết trong chế tạo phụ thuộc rất nhiều vào việc hạn chế các biến dạng hàn.
Hiện nay trong chế tạo kết cấu hàn người ta thường áp dụng các biện pháp xử lý biến dạng. Các biện pháp này nhằm hoặc ngừa co ngót và uốn cong của kết cấu, hoặc nắn lại kết cấu bị biến dạng sau khi hàn. Rừ ràng, thao tỏc nắn khụng thể ủược coi là cụng nghệ tiên tiến, không chỉ vì khối lượng công việc khổng lồ và thường phải thực hiện bằng tay mà cũn vỡ trong ủại da số cỏc trường hợp ủều làm ảnh hưởng xấu ủến tớnh chất cục bộ của vật liệu, tạo ra cỏc trường ứng suất cục bộ khụng xỏc ủịnh và làm biến dạng và kớch thước của cỏc chi tiết khỏc khụng trực tiếp chịu tỏc ủộng của thao tỏc nắn. Tất cả ủiều ủú ủều làm giảm tớnh năng sử dụng và tuổi thọ của kết cấu hàn. Chớnh vỡ vậy phương phỏp cơ bản chống biến dạng do hàn gây ra chính là ngăn ngừa biến dạng hàn.
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 121
Việc ngăn ngừa biến dạng kết cấu ủược thực hiện bằng cỏch lựa chọn thứ tự lắp rỏp và hàn làm sao ủể biến dạng do những mối hàn này tạo ra bị triệt tiờu bởi những biến dạng ngược lại của các mối hàn khác. Trong một số trường hợp, người ta áp dụng biện phỏp uốn ngược và cố ủịnh, tạo ra trạng thỏi ứng suất ban ủầu, sử dụng sai số dự phòng...v.v
Tuy nhiờn như ủó ủề cập ở trờn, ngoài cỏc biến dạng do hàn tạo ra, thỡ ủộ chớnh xác của kết cấu còn chịu ảnh hưởng lớn của các biến dạng do quá trình ráp mối không ủảm bảo tạo ra. Thường thỡ những sai lệch so với kớch thước thiết kế kết cấu do việc lắp rỏp khụng ủảm bảo gõy ra, lại ủược tớnh cho quỏ trỡnh hàn. Tất nhiờn trong những trường hợp này, mọi biện phỏp chống biến dạng hàn ủều khụng thể cải thiện ủộ chớnh xỏc của kết cấu ủược chế tạo.
Chúng ta cùng xem một ví dụ về ảnh hưởng của chất lượng lắp ráp và lựa chọn phương pháp lắp ráp lên biến dạng tổng thể của kết cấu. Khi chế tạo một thanh dầm có tiết diện hình hộp (hình 6.1a) với các vách ngăn bên trong, người ta áp dụng thứ tự lắp rỏp và hàn như sau. Trờn tấm núc của thanh dầm người ta cố ủịnh cỏc vỏch ngang và hàn (hỡnh 6.1b). Sau ủú người ta cố ủịnh và hàn một tấm bờn của thanh dầm vào tấm núc, lật 900 và tiếp tục hàn tấm bên này vào các vách ngang.
Hỡnh 6.1. Sơ ủồ lắp rỏp và hàn cỏc thanh dầm hỡnh hộp
a: mặt cắt; b: lắp ủặt cỏc vỏch ủứng lờn tấm trờn; c: thứ tự hàn (1ữ6) và hướng hàn nối vỏch ủứg với tấm trờn
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 122
Tiếp theo, người ta hàn nốt tấm bờn cũn lại của thanh dầm và tấm ủỏy. Thanh dầm hàn xong bị vênh trên mặt phẳng và trục hình học của tấm nóc (giữa hai tấm bên) bị cong. Sự cong vờnh ủú là hậu quả của biến dạng sau khi hàn. Phõn tớch trỡnh tự cụng nghệ lắp ráp cho thấy, trong quá trình lắp ráp các vách ngang người ta lấy mép của tấm núc làm trục cơ sở (vỡ cho rằng ủõy là ủường thẳng) và cỏc vỏch ngang nằm cỏch ủề mộp của tấm nóc một khoảng a (hình 6.1b). Trên thực tế mép dọc của tấm nóc lại không thẳng và cỏc vỏch ngang cỏch ủều mộp này ủó cố ủịnh tạo ra ủộ cong vờnh của cỏc tấm bờn, và từ ủú tạo ra sự cong vờnh của toàn bộ thanh dầm. Nếu cỏc vỏch ngang ủược cố ủịnh ủỳng cỏch – theo một dõy căng trục A-B, thỡ cỏc tấm bờn và cả thanh dầm ủó khụng bị cong.
ðể tấm nóc không bị cong trong quá trình hàn các vách ngang vào nóc, cần phải lựa chọn thứ tự và hướng hàn trên từng sườn và vách ngang (các mối 1, 2, 3, 4 trên hình 6.1 c), hoặc hướng các mối hàn trên mỗi sườn hoặc vách (như mối 5,6 trên hình 6.1 c)
Biến dạng do lắp ráp không chỉ xuất hiện trong các trường hợp vi phạm nghiêm trọng quy trỡnh cụng nghệ như trong vớ dụ nờu trờn, mà cũn xuất hiện do việc ủộ chớnh xỏc khụng ủảm bảo của cỏc chi tiết ủược gia cụng, do khe hở khụng ủồng ủều v.v…Không tuân thủ những nguyên tắc thông thường trong lắp ráp có thể ảnh hưởng lên ủộ biến dạng do hàn gõy ra. Do vậy biến dạng tổng thể của kết cấu hàn cú thể bị thay ủổi ủỏng kể. Nếu trong quỏ trỡnh lắp rỏp chỳng ta rỏp mộp hai tấm một cỏch cưỡng bức hoặc chằng kộo cỏc chi tiết lại với nhau. Bất cứ thao tỏc ủịnh hỡnh cưỡng bức nào trong quỏ trỡnh lắp rỏp ủều tạo ra trong cỏc chi tiết những ứng suất nộn hoặc kộo, tạo ra những thay ủổi về lượng trong biến dạng do hàn. Tại một số ủoạn (bị nộn) của mối hàn ủộ biến dạng hàn tăng lờn, trong khi tại một số ủoạn khỏc (với ứng suất kộo ban ủầu) ủộ biến dạng lại giảm ủi. Kết quả là xuất hiện cỏc biến dạng cục bộ khụng theo quy luật làm thay ủổi kớch thước và hình dạng kết cấu. Xử lý các hậu quả không theo quy luật này là vô cùng khó.
Sự tồn tại của ứng suất ban ủầu trong cỏc chi tiết ủược lắp rỏp (do việc ủịnh hỡnh cưỡng ộp) làm giảm hiệu quả của cỏc phương phỏp xử lý biến dạng như uốn ngược, ủược ỏp dụng ủể triệt tiờu cỏc biến dạng do hàn gõy ra.
Như vậy ủể ủạt ủược ủộ chớnh xỏc cần thiết của kết cấu thỡ biện phỏp cơ bản là xây dựng một quy trình chuẩn về lắp ráp và hàn. Chúng ta hãy xem ảnh hưởng của các yếu tố riờng biệt ủến biến dạng hàn.
6.2. ẢNH HƯỞNG CỦA TRÌNH TỰ LẮP RÁP ðẾN BIẾN DẠNG DƯ DO HÀN.
Mức ủộ ảnh hưởng của trỡnh tự sắp xếp ủường hàn ủến biến dạng kết cấu là khỏc nhau tựy thuộc vào cỏch thức sử dụng cỏc dụng cụ ủể cố ủịnh chi tiết hàn. Thường thỡ việc cố ủịnh ủược thực hiện bằng phương phỏp cố ủịnh cứng, nghĩa là cỏc chi tiết hàn ủược cố ủịnh lại với nhau bằng cỏc mối hàn ủớnh. Trong trường hợp này, cỏc chi tiết hàn ủược nối với nhau ủủ cứng ủể xem chỳng như một chi tiết, cũn mối hàn ủược xem như
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 123
một sống nhỏ nằm trờn chi tiết này. Biến dạng khi ủú sẽ phụ thuộc vào mụ men quỏn tớnh chung và diện tích mặt cắt toàn bộ (chứ không phải diện tích và mô men quán tính cuả cỏc chi tiết riờng biệt), cũng như phụ thuộc vào vị trớ của mối hàn ủối với trọng tõm của mặt cắt chung.
Trong một số trường hợp, người ta sử dụng phương phỏp cố ủịnh mềm, cho phộp một vài chi tiết nối liền với mặt cắt chung loại bỏ mặt cắt ra khỏi biến dạng. Trong trường hợp ủú nếu tiến hành hàn lờn kết cấu gồm hai phần, mỗi phần ủược rỏp lại bằng phương phỏp cố ủịnh cứng, cũn nối với nhau bằng phương phỏp cố ủịnh mềm, thỡ chỉ cú phần mà trờn ủú ta thực hiện thao tỏc hàn sẽ biến dạng, chứ khụng phải tất cả kết cấu. Phần thứ hai ủược cỏch biệt với phần thứ nhất thụng qua cố ủịnh mềm sẽ khụng biến dạng.
Hỡnh 6.2. Sơ ủồ lắp rỏp và hàn thanh dầm với cỏc sườn ngang trên tấm nóc.
a – Sơ ủồ thanh dầm
b – Sơ ủồ lắp rỏp bằng phương phỏp cố ủịnh mềm
c – ủặc tớnh biến dạng của phương tiện cố ủịnh mềm do hàn cỏc sườn
Ví dụ nếu chế tạo một thanh dầm chữ I với mặt trên có các sườn ngang (hình 6.2 a), nếu sử dụng cố ủịnh cứng thỡ khi hàn cỏc sườn ngang lờn mặt trờn thanh dầm sẽ tạo ra co gút và làm cong toàn bộ thanh dầm. ðể xỏc ủịnh ủộ biến dạng thỡ trong cụng thức tớnh toỏn phải ủưa vào ủại lượng mụ men quỏn tớnh J và diện tớch mặt cắt toàn bộ thanh dầm.
Bằng phương phỏp cõn bằng, ủại lượng z’ ủược xỏc ủịnh bằng khoảng cỏch từ trọng tõm ngang cỏc mối hàn ủến trọng tõm mặt cắt của thanh dầm, hay z’=h/2. Nếu mặt trờn thanh dầm ủược cố ủịnh mềm với sống dầm thụng qua cỏc mó tại một khoảng cỏch nhất ủịnh so với ủiểm tiếp xỳc của mặt trờn và sống dầm (hỡnh 6.2 b), thỡ khi hàn cỏc sườn ngang lờn mặt trờn thanh dầm, chỉ cú phần này bị co ngút, cũn sống dầm và mặt dưới ủược cố ủịnh
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 124
cứng với nhau sẽ khụng bị biến dạng. Trong trường hợp này cỏc mó cố ủịnh mềm ủó khụng cản trở sự co ngút của tấm trờn bởi chớnh chỳng ủó biến dạng nhhư trờn hỡnh 6.2 c).
Nếu theo hình 6.2 b), trước tiên người ta thực hiện hàn tấm dưới vào sống của thanh dầm, thỡ biến dạng hàn ủược xỏc ủịnh bằng ủộ cứng của mặt cắt thanh dầm ủược cấu tạo từ sống và mặt dưới (⊥) chứ khụng phải ủộ cứng của toàn bộ thanh dầm chữ I.
Bất kỳ phương tiện cố ủịnh nào sử dụng trong quỏ trỡnh rỏp ủều ủược phõn loại là cứng hoặc mềm, nếu như khụng thể ủỏnh giỏ một cỏch chớnh xỏc hơn ảnh hưởng của chúng, tuy thuộc vào hình dạng kết cấu.
Chỳng ta cựng xem ảnh hưởng của trỡnh tự rỏp lờn biến dạng hàn. Như ủó ủề cập ở trên, biến dạng hàn phụ thuộc vào diện tích F và mô men quán tính J của tiết diện kết cấu mà trờn ủú thực hiện mối hàn, ủồng thời phụ thuộc vào khoảng cỏch z’ từ trọng tõm của mối hàn ủến trọng tõm mặt cắt của kết cấu. Vỡ thế nếu rỏp và hàn cỏc phần của kết cấu theo trình tự khác nhau thì biến dạng thứ cấp sau khi hàn sẽ khác nhau.
Vớ dụ chế tạo mặt cắt chữ I khụng ủối xứng cú thể ủược chế tạo sau 3 trỡnh tự rỏp và hàn khỏc nhau (ỏp dụng phương phỏp cố ủịnh cứng):
- Hàn sau khi ráp cả hai tấm trên dưới với sống dầm - Ráp tấm dưới với sống, hàn, ráp tấm trên và hàn nốt - Ráp tấm trên với sống, hàn, ráp tấm dưới và hàn nốt
Cú thể nhận thấy tại cỏc thời ủiểm hàn ghộp cỏc tấm với nhau, diện tớch mặt cắt, mụ men quỏn tớnh của mặt cắt mà trờn ủú cỏc tấm ủược hàn gắn vào, là khỏc nhau.
Khoảng cỏch từ trọng tõm mối hàn ủến trọng tõm mặt cắt cũng khỏc nhau trong cỏc trường hợp này.
Trong bảng 6.1 dưới ủõy, liệt kờ cỏc ủại lượng F, J và z’ cho cỏc trường hợp lắp rỏp khỏc nhau và thực hiện từng mối hàn trờn mỗi tấm một cỏch khụng ủối xứng ủối với thanh dầm chữ I.
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 125
(Bảng 6.1. Trị số F, J và z’ với thứ tự lắp ráp và hàn khác nhau Thứ tự lắp ráp và hàn Số
dạng
ðặc trưng của tiết diện
F 65 45 50
J 10555 4685 5200
1
z1 16,2 9,8 8,8
F 65 65 65
J 10555 10555 10555
2
z2 13,8 13,8 16,2
Từ bảng 6.1 chúng ta thấy sự khác nhau của biến dạng thứ cấp trong các trường hợp lắp rỏp và hàn theo thứ tự khỏc nhau ủược hỡnh thành bởi chớnh sự khỏc biệt trong cỏc ủặc ủiểm của mặt cắt mà trờn ủú tiến hành hàn.
Vì vậy, chỉ có sự khác nhau trong trình tự ráp và hàn có thể ảnh hưởng lên sự biến dạng, làm thay ủổi ủặc tớnh mặt cắt của chi tiết hàn. Nếu trong cỏc trỡnh tự rỏp và hàn khỏc nhau, ủặc tớnh của mặt cắt khụng thay ủổi.
Trong ví dụ chế tạo thanh dầm với các sườn ngang ở tấm trên (hình 6.2 a), các sườn này cú thể hàn trước hoặc sau khi thanh dầm ủược hàn. Lý do bởi vỡ trong cả hai trường hợp ủặc tớnh hỡnh học của mặt cắt thanh dầm ủều khụng thay ủổi, nghĩa là biến dạng thứ cấp của thanh dầm ủược chế tạo bằng cả hai phương phỏp là như nhau. ðể loại trừ biến dạng của thanh dầm khỏi ảnh hưởng từ các mối hàn sườn ngang, cần hàn các sườn ngang lên tấm trên trước khi ráp thanh dầm, hoặc ráp tấm trên với sống dầm sử dụng phương phỏp cố ủịnh mềm.
6.3. ẢNH HƯỞNG CỦA TRÌNH TỰ SẮP XẾP ðƯỜNG HÀN ðẾN BIẾN DẠNG CỦA KẾT CẤU.
Trỡnh tự hàn khỏc nhau trờn từng chi tiết của kết cấu sẽ dẫn ủến những trạng thỏi ứng suất khỏc nhau trong chi tiết này, cũng như ủến cỏc biến dạng khỏc nhau. Tuy nhiờn kinh nghiệm cho thấy, trờn thực tế với ủộ chớnh xỏc nhất ủịnh chỳng ta cú thể sử dụng phương phỏp tớnh, khụng tớnh ủến trạng thỏi ứng suất ban ủầu do cỏc mối hàn trước ủú tạo ra. Trong trường hợp này, trình tự hàn sẽ không ảnh hưởng lên biến dạng kết câu, nếu kết cấu ủược cố ủịnh bằng phương phỏp cứng.
Biên soạn: Hoàng Văn Thuỷ - ðỗ Quang Quận Mobile: 0912295039 – 0912389159
E–mail: Doquanhh@yahoo.com
Page: 126
Tuy nhiờn cỏc trường hợp cú thể sử dụng phương phỏp tớnh ủơn giản hoỏ, khụng tớnh ủến trạng thỏi ứng suất ban ủầu, và tất nhiờn khụng ỏp ủặt bất cứ yờu cầu nào với trình tự hàn là rất hãn hữu.
Do ủộ phức tạp của cỏc quỏ trỡnh tạo ra biến dạng hàn và quỏ nhiều yếu tố ảnh hưởng lờn mức ủộ biến dạng, rất khú cú thể lựa chọn cỏc tiờu chớ ủơn giản ủể xỏc ủịnh cú cần phải tớnh ủến ứng suất ban ủầu hay khụng cần, khi tiến hành tớnh toỏn biến dạng.
Việc ỏp dụng cỏc tớnh toỏn chớnh xỏc hoặc xỏc ủịnh trỡnh tự hàn chớnh xỏc chỉ khi cần thiết khi mức độ biến dạng theo dự đốn vượt quá quy định cho phép. Trong trường hợp này việc sử dụng trỡnh tự hàn ủể giảm thiểu biến dạng tổng thể chỉ cú thể nếu trạng thỏi ứng suất do cỏc mối hàn trước tạo ra khụng dẫn ủến những thay ủổi ủỏng kể mức ủộ biến dạng do cỏc mối hàn sau, so với cỏc biến dạng theo tớnh toỏn khụng kể ủến ứng suất ban ủầu.
Chúng ta thử xem xét trong những trường hợp nào khi sử dụng phương pháp tính ủó ủược ủơn giản hoỏ (khụng tớnh ủến trạng thỏi ứng suất an ủầu) cú thể thu ủược biến dạng hàn ủỏng kể. Chỳng ta chỉ xem xột biến dạng uốn của chi tiết, bởi vỡ sử dụng trỡnh tự hàn cú thể ủiều chỉnh phần lớn cỏc biến dạng này
Như ủó ủề cập trước, ủộ uốn của chi tiết do ủường hàn dọc hoặc ngang gõy ra sẽ là: 8
l2
C F =
trong ủú:
C: ủộ cong của chi tiết do ủường hàn dọc hoặc ngang l: chiều dài chi tiết
ðối với mối hàn dọc:
J q z C =à d ' ðối với mối hàn ngang:
a B J q z
C d '
à'
=
trong ủú:
B – chiều dài mối hàn ngang
a – khoảng cách giữa các mối hàn ngang dọc theo chiều dài của chi tiết.
Cỏc ủại lượng cũn lại giữ nguyờn giỏ trị cũ.
Nếu tiến hành một mối hàn dọc lên chi tiết thì :
8 'l2 J q z
f =à d